張 宇， 孫大軍， 師俊杰， 王 琦

(哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

應(yīng)用匹配場(chǎng)實(shí)現(xiàn)單矢量水聽(tīng)器被動(dòng)定位*

張 宇， 孫大軍， 師俊杰， 王 琦

(哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

將匹配場(chǎng)原理應(yīng)用到單矢量水聽(tīng)器上，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)聲源的被動(dòng)定位。對(duì)常用的2種Bartlett處理器進(jìn)行仿真分析，提出了一種改進(jìn)的Bartlett處理器，可以抑制旁瓣個(gè)數(shù)并提高主瓣強(qiáng)度。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在1.3 km的范圍內(nèi)，接收信噪比不低于10 dB時(shí)，測(cè)距和測(cè)向誤差可以控制在10 %以內(nèi)。該研究為單矢量水聽(tīng)器的實(shí)際應(yīng)用提供了重要的參考依據(jù)。

水聲； 矢量水聽(tīng)器； 匹配場(chǎng)處理

0 引 言

水聲學(xué)研究中包含3個(gè)最基本的研究要點(diǎn)：目標(biāo)輻射聲源、傳播聲信道以及接收換能器。作為聲場(chǎng)的源頭，聲源在水中輻射出的聲信號(hào)，其傳播特征受海洋聲信道的制約，并最終被水聽(tīng)器所采集接收。這3個(gè)研究要點(diǎn)彼此互相聯(lián)系，構(gòu)成了一個(gè)不可分割的整體。當(dāng)已知水聽(tīng)器的接收數(shù)據(jù)，同時(shí)利用聲傳播信道特性和海洋環(huán)境參數(shù)對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行建模計(jì)算，通過(guò)數(shù)據(jù)間的匹配處理可以得到聲源的位置信息，這就是匹配場(chǎng)被動(dòng)定位的基本原理[1～3]。

在水聲工程領(lǐng)域，傳統(tǒng)的接收傳感器為標(biāo)量換能器，只能測(cè)量聲場(chǎng)中的聲壓等標(biāo)量參數(shù)，無(wú)法完整地采集聲場(chǎng)信息。矢量水聽(tīng)器的研究工作始于20世紀(jì)50年代，是近期國(guó)內(nèi)外水聲換能器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。除聲壓外，矢量水聽(tīng)器還可以測(cè)量質(zhì)點(diǎn)振速等矢量參數(shù)，有助于研究者完整的了解聲場(chǎng)信息。相對(duì)于傳統(tǒng)的標(biāo)量系統(tǒng)，矢量水聽(tīng)器可以同時(shí)共點(diǎn)地測(cè)量聲壓和振速信息，具有良好的抗相干干擾能力與線譜檢測(cè)能力，并且單矢量水聽(tīng)器在方位估計(jì)上具有天生的優(yōu)勢(shì)[4]。

目前，通用的匹配場(chǎng)定位是采用聲壓垂直陣或水平陣的方式進(jìn)行，該種方法主要有兩方面因素影響限制定位性能，一是聲壓水聽(tīng)器無(wú)法提供任何的目標(biāo)聲源的角度信息，必須依靠陣列信號(hào)處理的方式獲取方位信息；二是對(duì)于陣列處理，尤其是匹配場(chǎng)定位中常用的垂直陣列，會(huì)存在傾斜、陣元深度、陣元間隔等失配問(wèn)題，嚴(yán)重影響定位效果。針對(duì)以上問(wèn)題，本文研究如何應(yīng)用單矢量水聽(tīng)器進(jìn)行寬帶信號(hào)的匹配場(chǎng)定位。

1 匹配場(chǎng)處理與仿真

由于基于單矢量水聽(tīng)器的測(cè)向算法已非常成熟[5,6]，所以，接下來(lái)的研究重點(diǎn)在于如何使用匹配場(chǎng)方法進(jìn)行單矢量水聽(tīng)器的測(cè)距和測(cè)深。常用的匹配場(chǎng)處理方法有線性匹配場(chǎng)處理和自適應(yīng)匹配場(chǎng)處理2種。本文主要討論使用最為成熟的Bartlett線性匹配場(chǎng)處理器，其工作原理是：通過(guò)環(huán)境參量和聲場(chǎng)模型得出拷貝場(chǎng)向量，然后采用拷貝場(chǎng)數(shù)據(jù)和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)直接相關(guān)的方法得出目標(biāo)聲源的估計(jì)位置，測(cè)量場(chǎng)數(shù)據(jù)由水聽(tīng)器端接收到的時(shí)域信號(hào)做FFT所得的互譜密度矩陣表征。相比于自適應(yīng)處理器，Bartlett方法對(duì)環(huán)境的敏感度較弱，穩(wěn)健性較強(qiáng)，但旁瓣較高[7]。典型的匹配場(chǎng)Bartlett處理方法如圖1所示。

圖1 典型匹配場(chǎng)處理Fig 1 Typical matched field processing

式(1)和式(2)給出了2種Bartlett處理器匹配表達(dá)式[8]，其中,式(1)為聲壓p與水平合成振速Vr進(jìn)行Bartlett匹配處理，式(2)為聲壓p與垂直振速Vz進(jìn)行Bartlett匹配處理

(1)

(2)

式中p為聲壓向量，Vr為水平方向振速向量，Vz為垂直方向振速向量，r為目標(biāo)距離，z為目標(biāo)深度，H表示共軛轉(zhuǎn)置，上標(biāo)c表示拷貝場(chǎng)，上標(biāo)d表示測(cè)量場(chǎng)。

針對(duì)式(1)和式(2)做仿真分析，仿真條件如下：聲源頻率為10～100 Hz，接收信噪比20 dB，聲源深度55 m，聲源距接收矢量水聽(tīng)器距離1 320 m，矢量水聽(tīng)器布放深度45 m，海深80 m。為了更真實(shí)地反映海洋環(huán)境，使用快速場(chǎng)算法計(jì)算拷貝聲場(chǎng)，聲速剖面與環(huán)境模型如圖2、圖3所示。

圖2 聲速剖面Fig 2 Sound speed profile

圖3 環(huán)境模型Fig 3 Environmental model

其中，z軸是深度方向，水層厚度h0為80 m，沉積層厚度h1為50 m，聲速為1 644 m/s，底質(zhì)密度為1 595 kg/m3，基底層聲速為1 780 m/s，基底層層密度為1 900 kg/m3，距離搜索范圍為500～2 000 m，深度搜索范圍為40～80 m。匹配場(chǎng)定位結(jié)果如圖4與圖5所示，其中，圖4聲壓p與水平合成振速Vr進(jìn)行Bartlett匹配處理的結(jié)果，圖5為聲壓p與垂直振速Vz進(jìn)行Bartlett匹配處理的結(jié)果。

圖4 Bartlett 處理器(pVr) Fig 4 Bartlett processor(pVr)

圖5 Bartlett 處理器(pVz) Fig 5 Bartlett processor(pVz)

從以上的仿真結(jié)果可以看出:2種方法都可以完成基于單矢量水聽(tīng)器的寬帶信號(hào)定位，pVr方法的主瓣相對(duì)尖銳些，干擾旁瓣的個(gè)數(shù)較多，pVz方法的主瓣明顯鈍化，干擾旁瓣個(gè)數(shù)較少，二者的主旁瓣比皆為1︰0.6左右。

為了最大限度地發(fā)揮以上2種算法的優(yōu)點(diǎn)并回避其缺點(diǎn)，從水平通道與垂直通道數(shù)據(jù)融合的角度，提出了一種改進(jìn)的Bartlett處理器算法，計(jì)算方法如式(3)所示，對(duì)應(yīng)仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 改進(jìn)Bartlett處理器 Fig 6 Improved Bartlett processor

(3)

從圖中可以看出:經(jīng)過(guò)二次擬合處理后的定位模糊面，主峰尖銳，且基本上完全消除了旁瓣的影響。

2 海試試驗(yàn)

2013年7月，于某海域進(jìn)行了海試試驗(yàn)，試驗(yàn)海域海深85 m左右，搭載矢量水聽(tīng)器的潛標(biāo)布放深度為45 m，使用線性調(diào)頻聲源信號(hào)作為目標(biāo)信號(hào)，發(fā)射頻率為40～100 Hz，聲源深度55 m與潛標(biāo)水平距離在1 km，試驗(yàn)期間試驗(yàn)船錨定，具體位置信息和深度信息由GPS和深度計(jì)獲取。圖7為接收信號(hào)聲壓和道互譜的時(shí)間歷程圖，從圖中可以看出：信號(hào)接收信噪比不低于10 dB。

圖7 接收信號(hào)頻譜圖Fig 7 Frequency spectrum of receiving signal

使用改進(jìn)Bartlett方法進(jìn)行匹配場(chǎng)定位，依然使用快速場(chǎng)計(jì)算軟件計(jì)算聲場(chǎng)，環(huán)境參數(shù)與仿真分析時(shí)一致，底質(zhì)參數(shù)源自對(duì)試驗(yàn)海域匹配場(chǎng)反演得到的數(shù)據(jù)。最終的定位結(jié)果的模糊面圖如圖8所示，圖9和圖10給出了距離和深度多次測(cè)量的結(jié)果。

圖8 定位結(jié)果Fig 8 Localization result

圖9 距離測(cè)量結(jié)果Fig 9 Results of distance measurement

圖10 深度測(cè)量結(jié)果Fig 10 Results of depth measurement

3 結(jié) 論

本文給出了利用低頻矢量水聽(tīng)器估計(jì)低頻(40～100 Hz)聲目標(biāo)距離和深度的方法，并進(jìn)行了海上試驗(yàn)驗(yàn)證。海試結(jié)果表明：?jiǎn)问噶克?tīng)器可以利用匹配場(chǎng)處理方法有效的對(duì)目標(biāo)聲源的距離及深度進(jìn)行估計(jì)，在1.3 km圍內(nèi)，接收信噪比不低于10 dB測(cè)距和測(cè)向誤差可以控制在10 %以內(nèi)。

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Passive location realization of single vector hydrophone by applying matched field*

ZHANG Yu, SUN Da-jun, SHI Jun-jie, WANG Qi

(Science and Technology on Underwater Acoustic Laboratory,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

Matched field principle is applied to single vector hydrophone to realize passive location of target acoustic source .Two kinds of commonly used Bartlett processor are simulated.An improved Bartlett processor which can both restrain the side lobe numbers and improve the main lobe intensity is proposed.Through analyzing experimental data,at the range of 1.3 km,when the SNR is not less than 10 dB,error of ranging and direction finding can be controlled within 10 %.The study provides important reference for practical application of single vector hydrophone.

underwater acoustics; vector hydrophone; matched field processing

2014—01—20

國(guó)家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012AA090901)

TN 911

A

1000—9787(2014)04—0021—03

張 宇(1984-)，男，黑龍江哈爾濱人，博士研究生，主要研究方向?yàn)榧兎轿槐粍?dòng)定位、單矢量水聽(tīng)器匹配場(chǎng)定位技術(shù)等。